欠發達地區土地利用多功能化演變的時空軌跡：來自西北典型城市的證據

盛羊羊，林 彤，劉新平，高先超，盛建東

(1.新疆農業大學管理學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆自然資源廳，新疆 烏魯木齊 830000；3.吉林大學地球科學學院，吉林 長春 130021；4.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052)

改革開放以來，社會經濟的快速發展促進了中國城市化的發展，提高了民眾生活的質量，但是快速城市化也帶來了一系列發展問題[1]，如人口快速增長[2-3]、生態環境遭到破壞[4-5]、生物多樣性減少等[6-7]；同時城市的快速擴張導致耕地資源被占用[8-9]，出現“功能性土地沖突”.因此，協調社會、經濟和環境發展，形成有效和可持續的土地利用政策，使土地利用多功能化成為解決這些問題的重要途徑[10].

以往的土地利用多功能化研究主要關注的是農業[11]，而多數土地利用變化發生在城市地區[12].近年來，人們開始關注如何提高“土地利用或混合土地利用的多功能性”問題[13]，同時也提出了土地可持續利用的新研究方向.相關的研究[14-15]主要關注的是土地利用規劃和制圖、混合土地利用對環境和空間演變的影響等，但這些研究多集中于經濟社會發展水平相對較高、生態環境抗風險能力較強的濕潤、半濕潤的中東部地區，而涉及欠發達的干旱、半干旱的西北地區的卻較少.此外，土地利用和整合應側重于生產、生活和生態的綜合性開發.因此，本文綜合考慮土地的生產、生活、生態等功能，建立土地利用多功能化評價指標體系，采用熵權法、三角模型和耦合協調度模型，對欠發達地區城市土地利用多功能化演變的時空軌跡進行了評估.研究結果對于推動城市土地高效和可持續利用以及協調有序發展、提高國土空間規劃的綜合性與科學性具有重要意義.

1 研究方法及處理

1.1 研究區概況

西北五省(自治區)位于中國內陸，主要是指大興安嶺以西、長城和昆侖山—阿爾金山—陰山以北地區，包括甘肅、新疆、陜西、青海和寧夏.五省(自治區)總面積約302.63萬km2，總人口約1.02億.地區地貌以高原、平原和盆地為主，大部地區屬溫帶大陸性氣候，生態環境脆弱，自然景觀從東到西分別為耕地—草原—荒漠草原—荒漠—高原.具有蘭州、烏魯木齊、西安、西寧和銀川5個典型城市，見圖1.

圖1 西北典型城市區位圖

西北五省典型城市地處中國經濟發展落后地區，地域環境相似，近30年來得益于國家“西部大開發戰略”以及“一帶一路”倡議的推進實施，人口迅速增加，城市化進程不斷加快.5座城市人口從2005年的1 598.12萬人增長到2015年的1 954.11萬人，國內生產總值從2005年的2 894.45億元增長到2015年的13 150.01億元，占西北五省總GDP的33.02%.然而，5座典型城市的快速發展也帶來了水資源匱乏、土地資源退化、環境污染和生態破壞、區域間合作缺乏和文化多樣性缺失、城鄉收入差距拉大等諸多經濟、環境和社會問題.

1.2 研究方法

1.2.1 熵權法

步驟1：指標標準化.采用極值標準化方法對原始數據進行處理，從而產生標準化矩陣：

(1)

步驟2：指標權重確定.采用熵權法確定指標權重[14].

步驟3：功能指數計算.使用加權平均的方法計算2005—2015年各年的生產功能指數(IPF)、生活功能指數(IPF)和生態功能指數(IEF)，具體公式如下：

(2)

1.2.2 三角模型

采用三角模型[12]分析土地利用多功能化時空演變的軌跡和趨勢.基于三角模型的性質考慮，選取非生產功能指數(INPF=1-IPF)、生活功能指數(ILF)和非生態功能指數(INEF=1-IEF)，使用Grapher10軟件構建三角圖，結果見圖2、表1和表2[12].

圖2 土地利用多功能化狀態及趨勢的三角模型示意圖

表1 土地利用系統的土地利用多功能化現狀

表2 土地利用系統的土地利用多功能化演變方向

1.2.3 耦合協調度模型

采用耦合協調度模型量化分析3種土地利用功能指數關系，公式如下：

T=aU1+bU2+cU3；

(3)

(4)

(5)

式中：T為土地利用功能指數；D為耦合協調度，D∈[0，1]；C為耦合度，C∈[0，1]；U1，U2，U3分別代表生產、生活和生態功能指數；k是調節因子(2≤k≤5)，k=2；a，b和c代表這3個土地利用功能指數的貢獻度，分別為1/4，1/2，1/4.

對于土地利用系統，耦合協調度越低，表明生產、生活和生態環境中的土地利用沖突越大.因此，根據耦合度(C)、耦合協調度(D)和3個土地利用功能指數的大小，將土地利用系統協調發展狀況劃分為4個類別和10個子類別，結果見表3.

1.3 指標體系建立

城市的生產、生活和生態功能之間的土地利用關系形成完整的土地利用系統.生產功能是系統的基礎，生態功能是系統的保證，而生活功能是系統的最終目的.生產功能是土地利用系統的基礎，是產品輸出、人類活動、交通運輸和貿易等生產和商業運營活動的有效載體，具體包括農業生產功能、經濟增長功能以及運輸功能.生態功能是土地利用系統的保證，是支持人類高質量生產和生活的一系列自然條件，包括資源安全和生態安全功能.生活功能是系統的最終目的，通過生產功能和生態功能實現調整改進，使土地利用系統為人類提供住房、消費和休閑娛樂，研究過程中常分為就業保障功能、社會保障功能、棲息地功能、娛樂功能與文化和教育功能.

表3 土地利用沖突耦合協調度劃分表

在土地利用系統中，生產、生活和生態功能是相互關聯、相互影響的.生產功能決定生活功能和生態功能，而生態功能又為生產和生活功能提供保障.生態惡化意味著生產功能將受到限制、生活功能將會受到影響.生活功能是土地利用優化協調的最終產物，在土地利用系統中起到管理生產和生態功能的作用.

本文基于土地的生產-生活-生態等功能，建立城市土地利用多功能化評價指標體系，結果見表4.指標體系具體分為三個層級：標準層(3個指標)、一級指標層(10個指標)和基礎級別指標層(21個指標).

表4 土地利用多功能化評價指標體系

1.4 數據來源

社會經濟、部分土地利用和資源與環境數據來源于《中國城市統計年鑒》(2006—2016年)，《蘭州統計年鑒》《烏魯木齊統計年鑒》《西安統計年鑒》《西寧統計年鑒》和《銀川統計年鑒》(2006—2016年)，蘭州、烏魯木齊、西安、西寧和銀川的《國民經濟和社會發展統計公報》(2006—2016年).其余土地利用和資源與環境數據分別來源于《中國國土資源統計年鑒》(2006—2016年)和《中國環境統計年鑒》(2006—2016年).

本文借助Matlab平臺運用熵權法計算指標權重，通過Grapher10軟件構建土地利用功能指數的三角模型，使用ArcMap和Photoshop軟件制作土地空間專題地圖.

2 結果與分析

2.1 土地利用功能變化

西北典型城市的3個土地利用功能指數在2005—2015年期間呈現整體上升趨勢，動態變化如圖3所示.由圖3可見，生產功能和生活功能指數的曲線上升趨勢比生態功能緩慢，這意味著城市對于生態平衡的關注要高于生產力發展和生活水平的提高.在2007年以前，土地利用功能指數生產功能、生活功能和生態功能三者的價值以及被關注程度排序為：ILF>IEF>IPF.2007—2012年期間，生態功能指數始終大于生產功能和生活功能指數，得益于其最快速的上升趨勢，而生產功能指數和生活功能指數變化趨勢是同步的，但生產功能指數上升速度快于生活功能指數.2012—2014年期間，3個土地利用功能指數呈現交替上升態勢.然而，2014—2015年，生產功能指數和生態功能指數均快速上升，而生活功能指數上升趨勢減緩，土地利用功能指數的升序排列最終被逆轉為：IEF>IPF>ILF.

圖3 2005—2015年西北地區3個土地利用功能指數變化

西北5座典型城市的3個土地利用功能指數(IPF，ILF和IEF)在2005—2015年數值變化情況見圖4.由圖4可見，蘭州和銀川的IEF曲線與IPF和ILF曲線呈現出分異上升的態勢，而IPF和ILF曲線保持相對接近的增長趨勢；烏魯木齊和西安的ILF曲線與IPF和IEF曲線呈現分異上升趨勢，而IPF和IEF曲線保持相對接近的增長趨勢；西寧的IPF曲線與ILF和IEF曲線呈現分異上升態勢，而ILF和IEF曲線保持相對接近的增長趨勢.

5座典型城市的IPF曲線都呈現上升趨勢，說明農業生產、工業生產和城市基礎設施建設迅速推進.城市強大的經濟活力得益于“西部大開發戰略”的實施以及對口省市援建，同時也受到省級政府的支持和《國民經濟和社會發展規劃》的合理指導.

除銀川ILF曲線增長速度緩慢外，剩余城市都呈現快速增長趨勢.研究結果顯示，自2005年以來，這些城市的城鄉居民收入、人均住房面積和飲食狀況都有了很大改善；就業保障功能、社會保障功能、娛樂功能與文化和教育功能的快速提升，有力推動了城市未來社會生活的可持續發展.

除烏魯木齊外，剩余城市的IEF曲線都呈現大幅度的波動，說明相對于社會經濟的快速發展，城市管理者應該更加關注資源安全和生態平衡.

圖4 2005—2015年5座典型城市3個土地利用功能指數變化

2.2 土地利用多功能化的現狀與趨勢

圖5 2005—2015年土地利用多功能化現狀及趨勢

如圖5所示，西北典型城市的土地利用多功能化經歷了4個階段：低水平、較低水平、初級水平、中間水平.第一階段：2005—2009年位于E區域，土地利用多功能化處于低水平，ILF<0.2，而INPF和INEF的值在較高的0.3～0.6范圍內.第二階段：2010—2012年位于D區域，土地利用多功能化整體處于不斷上升趨勢，但仍處于較低水平.第三階段：2013—2014年位于C區域，土地利用多功能化水平持續上升，達到初級水平.第四階段：2015年位于B區域，土地利用多功能化水平呈現線性快速上升，處于中間水平.根據分析可知，典型城市土地利用多功能化和土地持續利用呈現穩步的加速提升狀態，主要得益于5個城市在保持經濟增長的同時，采取了一系列措施提高市民生活質量，推動基礎設施與市政設施建設；同時，響應國家節能減排政策，加大環境污染治理，推動了城市可持續發展.

從西北典型城市土地利用多功能化時間演變軌跡(見圖6)可以看出，2005—2015年期間，土地利用多功能化由無序發展模式轉變為有序模式，轉變節點在2009年.其中，2005—2008年期間土地利用多功能化水平一致處于搖擺不定的發展狀態，處于初級水平；2010—2013年也處于初級水平，直至2014年實現高級水平.很明顯在研究期限內，典型城市的土地利用由經濟功能占據主導地位逐漸向生活功能和生態功能擴展，資源利用日趨合理，城市生態環境不斷改善，對市民生活質量持續提高起到了較大的推動作用.

圖6 2005—2015年5座典型城市土地利用多功能化的現狀及趨勢

如圖6所示，西北典型城市土地利用多功能化演變的時空格局有顯著差異，具體可分為3種形態：(1)有序發展型，如蘭州，此類城市土地利用多功能化和土地持續利用在快速增長后達到中等水平，土地利用多功能化發展最為有序，土地利用漸趨多功能.(2)曲折發展型，如烏魯木齊和西寧，此類城市宏觀規劃階段性不統一、不長久以及政策等因素反復多變造成城市發展方向不確定，導致土地利用多功能化是在反復波動的狀態下曲折發展，基本沒有形成可持續土地利用狀態，土地利用多功能化階段有序、土地利用逐步多功能.(3)無序發展型，如銀川，此類城市土地利用多功能化基本在較低水平長期徘徊，發展最為無序，土地利用未實現可持續，經濟功能仍然占據主導地位，土地利用多功能發展趨勢不明顯.

2.3 土地利用功能間的耦合協調關系

圖7和圖8顯示了在時間和空間尺度上土地利用系統的協調與沖突過程.圖7動態展現了2005—2015年耦合度(C)與耦合協調度(D)不同程度的變化情況：耦合度在2005—2015年呈指數增長并達到高級耦合發展階段；同一時期土地利用功能之間的耦合協調度幾乎呈線性快速增長.具體關系可以分為以下4個階段：

第一階段(2005—2006年)：土地利用功能的協調程度發生了從高級沖突階段向低級沖突階段轉變的過程，這一時期的土地利用系統處于較低耦合狀態.

第二階段(2006—2009年)：土地利用功能的協調度持續遠離低級沖突階段，以相對較快的速度向低級平衡階段發起沖擊.在這個時間段內土地利用系統進入矛盾高發階段.

第三階段(2009—2014年)：土地利用功能的耦合協調度由低級沖突階段轉變到低級平衡階段，但在向較高平衡階段發起沖擊的過程中速度相對緩慢.這一時間段土地利用系統以磨合發展的狀態運行.

第四階段(2014—2015年)：土地利用功能的耦合協調度緩慢增加，并且達到了較高平衡發展階段.這一時期的土地利用系統耦合度較高.

圖7 2005—2015年土地利用多功能化的耦合度(C)與耦合協調度(D)變化

圖8中分別顯示了5座典型城市耦合度(C)和耦合協調度(D)的時空格局演變.自2005年以來耦合度(C)和耦合協調度(D)持續增加并呈現一定空間分布規律，一般而言，東部地區城市的C和D高于西部地區.對于C，西安>西寧>烏魯木齊>蘭州>銀川，可分為兩個階段：磨合發展階段和高級耦合發展階段.對于D而言，西寧>西安>蘭州>烏魯木齊>銀川，主要分為中間平衡階段、較高平衡階段和高平衡階段3個階段.此外，這5個城市的D有比C更大的變化，銀川無論C或D都處于發展相對落后階段.

通過綜合分析土地利用功能間的耦合協調關系，可以推斷出以下初結果：

(1)西北典型城市的土地利用多功能化程度在2005—2015年間有所增加；

(2)西北典型城市的土地利用系統由低水平發展階段、無序狀態進入高水平發展階段、有序狀態；

(3)整體而言東部典型城市的土地利用耦合協調度大于西部典型城市，所以西部地區城市的土地利用沖突高于東部地區；

(4)每個城市指定的職能和經濟發展活力對土地利用的多功能化產生了深遠影響.

3 建議與對策

為了保持高效的土地利用過程和改善土地利用多功能化，擴大功能整體效應，根據各城市土地利用多功能化的時空演變軌跡，分別提出以下建議與對策：

(1) 蘭州地處河谷盆地，用地面積稀缺，近十幾年來城市發展不斷向周邊山地拓展；此外，城市化學工業的快速發展導致大量“三廢” 的排放，使土地生態環境面臨較大壓力.基于此，蘭州應持續加強環境保護，因地制宜地開展城市建設，實現環境與發展的協調，提高城市生態環境治理投資比例，繼續加大城市“三廢”處理力度，調整產業結構，實現產業集約化發展，改善城市環境質量.

(2) 2005年以來烏魯木齊經濟實現了快速發展，但整體水平仍然較低；同時民眾社會生活質量的提高相對于經濟發展和生態質量改善較為緩慢.所以，烏魯木齊需要抓住國家推進“一帶一路”倡議的機遇，制定新型城鎮化方案，推動產業與城市融合發展，提高自主創新能力，推進產業升級，積極發展現代服務業，實現經濟跨越式發展.同時，需要不斷優化城市社區布局，完善城市基礎設施，提高城市的宜居性，強化社會保障和就業對民眾生活的支撐功能.

(3) 西安屬于特大城市，轄區面積大，流動人口和常駐人口較多，由于交通等城市基礎設施和市政設施建設滯后，給城市的發展和治理帶來了巨大的壓力，社會的可持續發展也受到影響.所以，西安應當控制人口數量，積極探索人口流動和城市建設用地同向流動的機制措施，逐步加強城市基礎設施和市政設施建設，提升公共設施建設用地比重，保障市民生活質量，提高土地利用的可持續性.

(4) 西寧地處青藏高原的湟水河谷地帶，生態環境脆弱，工業化程度低，社會發展水平不高.基于此，西寧首先要制定符合實際的產業政策，吸引資金和技術落地，發展特色產業，調整經濟結構，使其向第二、第三產業發展；其次，加強政府主導，培育新興增長空間，以傳統產業改造優化升級為基礎，提升工業化水平和就業保障能力，提高市民生活質量，強化城市道路等基礎設施建設；最后，在發展經濟和保障民生的同時，強調生態空間的保護，形成社會-經濟-生態的全面、協調和可持續發展.

(5) 銀川在生產-生活-生態方面的土地利用存在不協調和弱可持續性問題，建議城市管理者在推動經濟生產發展的同時，需要保護生態空間，減少城市建設對生態用地的侵占，確保生態保護政策的長期穩定性；同時，加大基礎設施建設和民生保障領域的資金投入，切實提高民眾生活質量，著力促進城市各領域綜合協調發展；另外，土地利用政策和城市管理水平需要不斷提升，并為土地的可持續利用提供更多的綜合性規劃和前瞻性設計.

4 結論

本文基于“生產、生活、生態”(“三生”)功能視角，以西北5座典型城市為評價單元，構建土地利用多功能化評價指標體系，采用熵權法、三角模型、耦合協調度模型，系統分析 了2005—2015 年西北典型城市土地利用多功能化演變的發展現狀、趨勢及耦合協調度的時空軌跡.得出以下結論：(1)土地利用多功能化及其在時間和空間的演變(沖突或協調)是一個動態過程，并從無序漸變為有序態勢；(2)土地利用多功能化逐年加速提升，“三生”功能由最初的“生產”功能占據主導逐漸向“生活、生態”功能擴展；(3)土地利用多功能的時空演變分異為3種類型：有序發展型、曲折發展型、無序發展型；(4)時間尺度上，土地利用沖突逐漸變小，各功能間的耦合協調度在波動中提高；(5)銀川的土地利用功能、和諧發展程度最低，剩余城市在空間上基本呈現“東高西低”格局.

土地是“三生”功能的承載體，土地利用多功能性是土地管理行業的重點.隨著經濟社會的快速發展、工業化和城鎮化的進一步推進，土地資源的稀缺性、國土空間的有限性等矛盾日益突出，“三生”功能在國土空間的布局就顯得至關重要.本文通過分析西北典型城市土地利用多功能化的變化情況，發現其時空變化和耦合協調規律，可以為有效統一空間規劃體系、實現“三生”空間差別化管制[16]提供科學依據與參考，也為這一地區國土空間優化提供了決策支持，實現國土空間治理體系和治理能力的現代化[17].

土地是人類賴以生存的重要資源，更是實現脫貧攻堅的重要載體.西北5座典型城市地處我國欠發達地區，是脫貧攻堅的主戰場之一.分析土地利用多功能及其時空耦合關系，探究耦合發展水平和類型，總結土地利用存在的問題，可以科學地推動城鄉融合發展，實現“三生”功能在鄉村地區的高效配置，進而有益于土地扶貧探索，鞏固欠發達地區脫貧攻堅成果，實現鄉村振興.